地磁気センサのみを用いて歩行者の進行方向を決定する携帯端末、プログラム及び方法
【課題】歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された地磁気センサのみを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定する携帯端末、プログラム及び方法を提供する。
【解決手段】３軸の地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段を有する。その進行方向決定手段は、時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段とを有する。方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、方向角θ＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）によって算出する。
【解決手段】３軸の地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段を有する。その進行方向決定手段は、時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段とを有する。方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、方向角θ＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）によって算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気センサを用いて歩行者の進行方向を決定する携帯端末、プログラム及び方法に関する。特に、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度センサ及び方位センサを用いて、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術がある。自律航法技術は、ＧＰＳ(Global Positioning System)技術と組み合わされて、主にカーナビゲーションシステム(Car Navigation System)に利用されている。カーナビゲーションシステムは、自動車の運転者に対して、正確な進行方向及び現在位置と、目的地への走行経路案内とを、ディスプレイに表示する。
【０００３】
カーナビゲーションシステムは、ＧＰＳによって測位した現在位置情報を、車速パルス又はジャイロのような自律航法技術によって補正する。また、道路地図情報を必要に応じて読み出し、現在の走行経路が道路上と一致するように、進行方向及び現在位置を補正する（投影法によるマップマッチング技術、例えば特許文献１参照）。これにより、センサの誤差によって、現在位置が、道路上でない位置になることを防ぐことができる。
【０００４】
これに対し、このようなナビゲーション技術を、歩行者の所持する携帯端末に適応したシステムもある。具体的には、検出した歩行者の「歩数」と、その歩行者の「歩幅」とを用いて、始点からの累積的な現在位置を導出する（例えば特許文献２参照）。自律航法技術を歩行者に適応した場合、水平方向の移動以外の加速度成分も検出される。従って、測定される距離は、単純に加速度センサの出力を積分するのではなく、歩数及び歩幅から導出される。
【０００５】
「歩数」は、携帯端末内の加速度センサによって検出された軸毎の加速度を二乗和の平方根とし(√(ｘ２＋ｙ２＋ｚ２))、そのピーク−ピーク間を１歩として検出する（例えば特許文献３参照）。「歩幅」は、利用者が予め設定するか、若しくは利用者の身長から推定する。又は、他の技術によれば、歩行者に規定距離を歩行させることによって、その歩幅をキャリブレーションする技術もある（例えば非特許文献１参照）。
【０００６】
「進行方向」は、「方位センサ」によって検出される。方位センサとしては、一般に地磁気センサが利用される。地磁気センサを用いて検出した端末の姿勢及び方向を、ディスプレイに３次元表示する技術もある（例えば特許文献４参照）。また、進行方向に交差点を介して複数の道路が存在する場合、その交差点を、現在位置とする技術もある（例えば特許文献５参照）。
【０００７】
自律航法技術を用いた現在位置の決定について、センサデータの累積的誤差の影響を防ぐために、交差点での右折左折を検出した際に、その交差点を、現在位置の特定のための始点とする技術もある（例えば特許文献６参照）。即ち、方向転換が検出される毎に、センサデータの累積的誤差がリセットされることなり、その後の現在位置の特定に、先の累積的誤差が影響しない。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−０６１４０８号公報
【特許文献２】特開平９−０８９５８４号公報
【特許文献３】特開２００５−０３８０１８号公報
【特許文献４】特開２００４−０４６００６号公報
【特許文献５】特開平３−０９９３９９号公報
【特許文献６】特開昭６３−０１１８１３号公報
【非特許文献１】「Nike＋iPodユーザーズガイド」、第２７頁、「online」、［平成１９年８月３１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://manuals.info.apple.com/ja/nikeipod_users_guide.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４に記載された技術によれば、加速度センサ及び地磁気センサを用いて静止状態における方位を導出するものである。しかしながら、実際に、歩行者が手持ちにした携帯端末によって方位を導出する場合、手持ち状態のためにセンサによって検出される波形が乱れ、正しい方位を導出することはできない。特に、歩行者が手を前方と後方に振るために、センサによって検出されるデータは大きく変動する。また、歩行者が手持ちするような携帯端末については、サイズやコストの制約から、カーナビゲーションシステムに搭載されるジャイロセンサを用いることも難しいし、搭載するセンサの種別及び数もできる限り少なくすることが好ましい。
【００１０】
そこで、本発明は、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された地磁気センサのみを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定する携帯端末、プログラム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段を有し、
進行方向決定手段は、
時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
を算出し、
北に向かって、重力面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとし、重力面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとすることも好ましい。
【００１３】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、円錐近似手段は、最小二乗法によって円錐に近似することも好ましい。
【００１４】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、進行方向決定手段から出力された進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段を更に有することも好ましい。
【００１５】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、歩行者の歩行の向き、即ち、地磁気面の前方を決定する前方決定手段を更に有し、
前方決定手段は、進行方向の前方に向けて端末を保持するよう設定した軸（ｘ軸、ｙ軸又はｚ軸）とその方向（正又は負）の条件に基づき、地磁気面のうち当該軸の当該方向を前方として決定し、その旨を方向転換判定手段へ通知することも好ましい。
【００１６】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、円錐近似手段に入力される地磁気データについて、
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することも好ましい。
【００１７】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、方向角算出手段から出力された方向角θについて、
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することも好ましい。
【００１８】
本発明によれば、３軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを機能させる携帯端末用のプログラムであって、
地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段としてコンピュータを機能させ、
進行方向決定手段は、
時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末について、地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する第１のステップと、
円錐における高さｈを算出する第２のステップと、
高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する第３のステップと
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された地磁気センサのみを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１は、歩行者の歩行態様と、地磁気変動方向とを表す説明図である。
【００２３】
図１によれば、歩行者は、携帯端末を手持ちにし、その手を前後に振りながら歩行している。このような一般的な歩行態様を横方向から見れば、携帯端末の位置は、円弧を描きながら振り子状に前後に変動している。また、進行方向から見れば、携帯端末の位置は、上下に変動している。
【００２４】
歩行者及び携帯端末に対しては、地磁気が到来している。歩行者が、端末を一定の姿勢で保持し、一方向に真っ直ぐ進行している限り、その地磁気のセンサ座標系における到来方向は同じである。しかしながら、歩行者は、手持ちにした携帯端末を前後に振るために、その腕振りに応じて、地磁気の到来方向が、曲線を描いて変動する。この曲線の変動は、携帯端末に搭載された地磁気センサによって検出される。即ち、その軸とその曲線とからなる面は、地磁気面（地磁気ベクトル群の成す面）として表される。
【００２５】
図１によれば、歩行者に把持された携帯端末の位置として、位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃが表されている。位置Ｂは、歩行者の手が真下にある時（最下点）であり、重力方向を表すこととなる。逆に、位置Ａ及び位置Ｃは、歩行者の腕振り運動の中で、最も高い位置にある時（最上点）である。
【００２６】
図２は、現実に発生する地磁気面を表す説明図である。
【００２７】
図２によれば、地磁気センサから得られた３軸の地磁気データ（ｘ、ｙ、ｚ）が、３次元座標系にプロットされたものである。また、図２には、携帯端末が位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃにある場合の地磁気も、表されている。位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃの地磁気のプロットを結ぶことによって、地磁気面を検出できる。
【００２８】
図２によれば、歩行者は、南から到来している地磁気に対して、方向角θの方向へ歩行している。このとき、携帯端末を手持ちした歩行者による腕振り動作に応じて、地磁気到来方向と反対側に地磁気面が検出できる。この地磁気面は、原点を通り進行方向と重力方向の双方に対し垂直な直線を軸として、地磁気ベクトルを母線とした、円錐の側面の一部を構成する。
【００２９】
地磁気面は、進行方向及び重力方向の両方に対する垂線（垂直な直線）を軸として、地磁気ベクトルを母線とした、円錐の一部を構成する。このとき、円錐の高さｈを算出する。本発明によれば、円錐の高さｈによって、方向角θを算出することができる。
【００３０】
地磁気面は、腕振りに応じた曲面によって表されているが、本発明によれば、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する必要がある。具体的には、円錐底面を近似的に求め、原点から当該底面までの距離、即ち、円錐の高さｈを算出することで、近似円錐を同定する。
【００３１】
図２によれば、各種パラメータを、以下のように定義する。
ｈ：円錐の高さ（円錐の頂点と、底面との間の距離）
ｌ：円錐の母線の長さ（地磁気ベクトルの長さ）
Ｉ：南から到来する地磁気と、重力方向とのなす角
（携帯端末が位置する緯度によって決定される）
【００３２】
地磁気ベクトルの長さｌ＝１に正規化した後、円錐の高さｈは、以下のように算出することができる。
ｈ＝sinＩ・sinθ
sinθ＝ｈ／sinＩ
θ＝arcsin（ｈ／sinＩ）
【００３３】
ここで、地磁気面の円錐における高さｈを算出する具体例について説明する。
【００３４】
単位時間に観測されたｎ個の地磁気データを、以下のように定義する。
ｐ１＝（ｘ１，ｙ１，ｚ１）
ｐ２＝（ｘ２，ｙ２，ｚ２）
・・・・・・・・・・
ｐｎ＝（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）
以下の表１によれば、時間経過ｐ１〜ｐ８に基づいて、観測された地磁気データＸ，Ｙ，Ｚが表されている。
【表１】
【００３５】
次に、地磁気ベクトルを以下の式によって正規化する。
【数１】
【００３６】
表１の地磁気データを、正規化すると、以下の表２のような値になる。
【表２】
【００３７】
円錐に近似する方法として、例えば最小二乗法がある。最小二乗法は、残差の２条の和が最小となるように、その現象に対し、予測関数ｆ（ｘ）のそれぞれの係数を決定する方法である。残差とは、ｉ番目のデータｎｉに対して予測された関数値ｆ（ｎｉ）と、測定されたデータｍｉと差、即ち、ｍｉ−ｆ（ｎｉ）である。
【００３８】
一般に、平面は、以下の式によって表される。
ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝１
【００３９】
このとき、（ａ，ｂ，ｃ）は、平面に対する法線ベクトルとなる。このとき、以下のような関係が成立する。
【数２】
【００４０】
表３は、行列式（１）のパラメータを、表２に基づいて算出したものである。
【表３】
【００４１】
行列式（１）を変形すると、以下の行列式（２）が成立し、（ａ，ｂ，ｃ）を算出することができる。尚、「−１」は、逆行列を意味する。
【数３】
【００４２】
数４は、行列式（２）に、表２及び表３の数値例を代入して算出した（ａ，ｂ，ｃ）である。求められた平面ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝１は、円錐の底面である。
【数４】
【００４３】
平面ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝１と原点との距離、即ち円錐の高さｈは、以下の関係式で算出される。
【数５】
【００４４】
式（３）に、数４の数値例（ａ，ｂ，ｃ）を代入すると、円錐の高さｈは、以下のように算出される。
ｈ＝０．４６２７４
【００４５】
更に、図２によれば、到来する地磁気と重力方向のなす角Ｉが表されている。角度Ｉは、携帯端末が位置する緯度によって決定される（緯度によって固定値となる）。
【００４６】
そして、本発明によれば、円錐の高さｈと、重力方向と地磁気のなす角Ｉとを用いて、地磁気面に対する角度量θmeasure（南北方向を０°とし、東西方向を９０°とした角度の大きさ）を算出する。
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
【００４７】
前述した具体的な数値例を代入すると、Ｉ＝４１度の場合、以下のように算出される。
角度量θmeasure＝arcsin（0.46274／sin Ｉ）＝44.856443度
【００４８】
図３は、歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【００４９】
簡単化のために、重力方向を図の下方向としているが、重力そのものを検出することはできない。また、実際に、地磁気が、センサ座標系に対してどの方向に検出されるかは、端末の姿勢に依存する。但し、方向角θと地磁気面との関係については、端末の姿勢には依存しない。
【００５０】
図３によれば、進行方向は、南北方向に対して角度θの位置にある。地磁気ベクトルは、重力方向に対して角度Ｉを保ったまま、重力方向を軸としてθだけ回転した方向から到来する。地磁気面は、腕振り運動によって、地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として円錐振り子状に運動することによって構成される。地磁気の円錐の底面は、進行方向と平行である。このとき、地磁気の円錐の高さｈは、sinＩ・sinθによって表される。地磁気ベクトルは、その地磁気ベクトルを斜辺とした直角三角形（斜線部）の回転体である円錐の表面を通る。
【００５１】
図４は、歩行者の進行方向が、西（北に対して９０°の角度の方向）に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【００５２】
図４によれば、進行方向は、南北方向に対して垂直になる（θ＝９０°）。地磁気ベクトルは、重力方向と角度Iを保ったまま重力方向を軸として９０°だけ回転した方向から到来する。地磁気面は、腕振り運動によって、地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として円錐振り子状に運動することによって構成される。このとき、地磁気の円錐の高さｈは、sinＩによって表される。
【００５３】
図５は、歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面のセンサ座標系における位置を表す説明図である。
【００５４】
図５によれば、地磁気面は、腕振り運動によって、地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することによって構成される。地磁気は南北方向へ検出されるため、地磁気面は、高さｈ＝sinＩ・sinθ＝０（sinθ＝０のため）の円錐の側面の一部、即ち扇形となり、進行方向と平行（重畳）になる（θ＝０°）。
【００５５】
図６は、方向角θの向きを表す説明図である。
【００５６】
図６によれば、上段は、北を１２時方向として鉛直真上方向から見た図であり、下段は、進行方向（重力面）に対し垂直な方向（上段で示した視点）から見た図である。
【００５７】
円錐の高さｈと、重力方向及び地磁気のなす角Iとによって、前述した計算により数学的に求められる角度量θmeasureは、０°〜９０°である。一方、実際の方向角θというと、北から時計回りを正方向として−９０°〜＋９０°である。
【００５８】
図６（ａ）及び（ｂ）によれば、南北方向を境界として左右（東西）対称となる２通りの位置に対して、同一の角度量θmeasureが得られる。例えば、方向角として、３０°（北東−南西方向）及び−３０°（北西−南東方向）の２通りの場合に、高さｈとＩから算出される角度量θmeasureは、３０°で同一である。方向角θは、腕振り運動により重力方向が振り子状に変動することにより作られる重力面を推定し、当該重力面と地磁気面の位置関係（地磁気面が重力面の左右どちら側に位置するか）によって確定することができる。重力面は観測できないが、簡単のため、原点を通り円錐底面と平行な平面（円錐底面を頂点の方向へ距離ｈだけ平行移動した平面）とすることができる。
（ａ）北に向かって、重力面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとなる。
（ｂ）北に向かって、重力面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとなる。
【００５９】
図６（ｃ）は、進行方向が南北方向であり、図６（ｄ）によれば、進行方向が東西方向である。
（ｃ）重力面と地磁気面は同一平面上にあり、右側や左側の区別はない場合、方向角θ＝θmeasure＝０°となる。
（ｄ）地磁気面の位置（右側、左側）によらず、方向角θ＝θmeasure＝９０°となる（＋９０°と−９０°は方向角としては同一）。
【００６０】
方向角θ及び角度量θmeasureは、南北方向に対する進行方向の成す角である。進行方向は、無向直線であり前後の区別が無い。このとき、北を０度とした時計回りの方位角（０〜３６０°）を導出するために、重力面の前方（又は後方）を決定する必要がある（尚、この決定は、後述する図７の前方決定部１０７によって実現される）。
【００６１】
重力面の前方は、端末の保持姿勢に緩やかな制約を設けることで特定することができる。例えば端末座標系におけるｘ軸が進行方向と平行であり、ｘ軸の正方向を前方とするよう端末を保持した場合、重力面のうちｘ軸の正方向の側が前方と判断できる。この際、ｙ軸およびｚ軸の向き（ロール）は制約されない。また、ある程度のｘ軸のぶれ（ピッチ及びヨー）は許容できる。
【００６２】
図７は、本発明の携帯端末における機能構成図である。
【００６３】
図７によれば、携帯端末１は、マイクロプロセッサ部１０と、地磁気センサ１１と、ＧＰＳ部１３と、地図情報記憶部１４と、ディスプレイ部１５とを有する。
【００６４】
地磁気センサ１１は、３軸方向（前後方向、左右方向及び上下方向）の地磁気の方向を測定する。地磁気センサ１１は、検出コイルを分離し、分離した検出コイルからそれぞれ検出された値を出力する。
【００６５】
ＧＰＳ部１３は、基準の現在位置となる緯度経度情報を測位する。測位された現在位置を基準点として、歩行者の現在位置を、歩数、歩幅及び進行方向によって積算することができる。
【００６６】
地図情報記憶部１４は、例えば道路地図のような走行経路を表す地図情報を記憶する。また、ディスプレイ部１５は、マイクロプロセッサ部１０から出力された進行方向及び現在位置を、地図情報と共に表示する。これにより、歩行者に対してナビゲーション機能を提供する。
【００６７】
マイクロプロセッサ部１０は、歩行タイミング決定部１０１と、進行方向決定部１０２と、方向転換判定部１０３と、歩幅設定部１０４と、移動量積算部１０５と、現在位置決定部１０６と、前方決定部１０７として機能するようなプログラムを実行する。
【００６８】
歩行タイミング決定部１０１は、地磁気センサ１１から出力された地磁気データ列を、所定時間毎、例えば歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の、地磁気データに分割する。例えば、地磁気ベクトルの円錐振り子運動の周期から歩数を算出することもできる。
【００６９】
進行方向決定部１０２は、所定時間毎に、地磁気センサ１１からの地磁気データから、進行方向を決定する。本発明は、この進行方向決定部１０２における進行方向の特定方法に基づく。
【００７０】
前方決定部１０７は、歩行者の歩行の向き、即ち、地磁気面の前方を決定する。地磁気面の前方は、端末保持姿勢に緩やかな制約を設けることによって特定することができる。例えば、ｘ軸の正方向を前方とするよう端末保持姿勢を設定した場合、地磁気面のうちｘ軸の正の側が前方である。
【００７１】
方向転換判定部１０３は、進行方向決定部１０２から進行方向のデータを受け取り、前方決定部１０７から前方の向きのデータを受け取る。方向転換判定部１０３は、メモリを有し、進行方向及び向きのデータを時間経過に応じて記憶する。そして、方向転換判定部１０３は、メモリに記憶された一定の時間範囲の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する。
【００７２】
歩幅設定部１０４は、既知の手法により、歩幅を決定する。例えば、入力された身長の値から推定することができる。決定された歩幅は、移動量積算部１０５へ出力される。尚、歩幅設定部１０４は、その歩幅の情報を方向転換判定部１０３にも出力する。
【００７３】
移動量積算部１０５は、進行方向決定部１０２から進行方向の情報を受け取り、歩幅決定部１０４から歩幅の情報を受け取る。そして、移動量積算部１０５は、１歩分の進行方向及び歩幅を積算する。現在位置決定部１０６は、地図情報記憶部１４から地図情報を取得し、積算された移動量から現在位置を特定する。現在位置決定部１０６は、方向転換判定部１０３が方向転換したと判定すれば、地図情報における近傍の交差点の位置を現在位置として決定する。また、方向転換していないと判定すれば（直進したと判定すれば）、マップマッチングによって投影された位置を、現在位置として決定する。
【００７４】
本発明の特徴となる進行方向決定部１０２は、フィルタ部１０２１と、円錐近似部１０２２と、円錐高さ算出部１０２３と、方向角算出部１０２４と、補正部１０２５とを有する。フィルタ部１０２１及び補正部１０２５は、本発明について本質的な機能では無いが、これによって進行方向の精度を向上させることができる。
【００７５】
円錐近似部１０２２は、時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、例えば図２のような座標図形を生成する。このとき、地磁気データは、所定時間単位（例えば１歩分）に検出された複数のデータの組に区分する。所定時間単位は、進行方向を導出するタイミング（周期）に依存する。例えば、１歩毎又は２秒毎の地磁気データに区分する。歩行者によって手に所持された携帯端末が前方及び後方に一往復する毎に、１つの円錐状の地磁気面が導出される。その上で、円錐近似部１０２２は、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する。
【００７６】
円錐高さ算出部１０２３は、円錐近似部１０２２によって算出された円錐における高さｈを算出する。高さｈは、即ち円錐の底面と原点（円錐の頂点）の距離である。高さｈは、腕振り方向、即ち歩行者の進行方向によって変化する。進行方向が南北方向である場合、高さｈは０となる。一方、進行方向が東西方向である場合、高さｈは最大となる。
【００７７】
方向角算出部１０２４は、円錐高さ算出部１０２３によって算出された高さｈに基づいて、地磁気面に対する角度量θmeasureを算出する。即ち、地磁気面に対する角度量θmeasureは、南北方向を意味する０°から、東西方向を意味する９０°までの間となる。ここで、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、以下の式によって、角度量θmeasureを算出する。
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
【００７８】
また、方向角算出部１０２４は、角度量θmeasureに基づく重力面と地磁気面の位置関係から、方向角θを導出する。重力面は観測できないが、円錐底面に平行で原点を通る平面とすることができる。重力面に対して左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとなり、重力面に対して右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとなる。尚、進行方向が、南北方向にある場合、方向角θ＝θmeasure＝０°であり、東西方向にある場合、方向角θ＝θmeasure＝９０°となる（＋９０°と−９０°は方向角としては同一）。
【００７９】
フィルタ部１０２１は、円錐近似部１０２２に入力される地磁気データについて、所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去する。即ち、突飛なデータを除去することができる。
【００８０】
補正部１０２５は、方向角算出部１０２４から出力された方向角θについて、所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する。
【００８１】
例えば、以下の表４のように、１つのデータだけが前後のデータよりも突飛な値、例えば２０°（所定角度閾値）以上振れていた場合、そのデータを除去する。
【表４】
【００８２】
また、補正部１０２５は、除去されたデータについて、以下の表５のように、時間的に前後に算出された単位区間の方向角θの平均によって補完することも好ましい。
【表５】
【００８３】
更に、補正部１０２５は、蓄積した複数の方向角θの変化が、平均化することも好ましい。以下の表６によれば、一定範囲の方向角θ毎に、平均化したものである。
【表６】
【００８４】
以上、詳細に説明したように、本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された地磁気センサのみを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。
【００８５】
前述した本発明における種々の実施形態によれば、当業者は、本発明の技術思想及び見地の範囲における種々の変更、修正及び省略を容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】歩行者の歩行態様と、地磁気変動方向とを表す説明図である。
【図２】現実に発生する地磁気面を表す説明図である。
【図３】歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【図４】歩行者の進行方向が、西（北に対して９０°の角度の方向）に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【図５】歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面のセンサ座標系における位置を表す説明図である。
【図６】方向角θの向きを表す説明図である。
【図７】本発明の携帯端末における機能構成図である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 携帯端末
１０ マイクロプロセッサ部
１０２ 進行方向決定部
１０２１ フィルタ部
１０２２ 円錐近似部
１０２３ 円錐高さ算出部
１０２４ 方向角算出部
１０２５ 補正部
１０３ 方向転換判定部
１０４ 歩幅設定部
１０５ 移動量積算部
１０６ 現在位置決定部
１０７ 前方決定部
１１ 地磁気センサ
１３ ＧＰＳ部
１４ 地図情報記憶部
１５ ディスプレイ部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地磁気センサを用いて歩行者の進行方向を決定する携帯端末、プログラム及び方法に関する。特に、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、加速度センサ及び方位センサを用いて、進行方向及び現在位置をリアルタイムに導出する自律航法技術がある。自律航法技術は、ＧＰＳ(Global Positioning System)技術と組み合わされて、主にカーナビゲーションシステム(Car Navigation System)に利用されている。カーナビゲーションシステムは、自動車の運転者に対して、正確な進行方向及び現在位置と、目的地への走行経路案内とを、ディスプレイに表示する。
【０００３】
カーナビゲーションシステムは、ＧＰＳによって測位した現在位置情報を、車速パルス又はジャイロのような自律航法技術によって補正する。また、道路地図情報を必要に応じて読み出し、現在の走行経路が道路上と一致するように、進行方向及び現在位置を補正する（投影法によるマップマッチング技術、例えば特許文献１参照）。これにより、センサの誤差によって、現在位置が、道路上でない位置になることを防ぐことができる。
【０００４】
これに対し、このようなナビゲーション技術を、歩行者の所持する携帯端末に適応したシステムもある。具体的には、検出した歩行者の「歩数」と、その歩行者の「歩幅」とを用いて、始点からの累積的な現在位置を導出する（例えば特許文献２参照）。自律航法技術を歩行者に適応した場合、水平方向の移動以外の加速度成分も検出される。従って、測定される距離は、単純に加速度センサの出力を積分するのではなく、歩数及び歩幅から導出される。
【０００５】
「歩数」は、携帯端末内の加速度センサによって検出された軸毎の加速度を二乗和の平方根とし(√(ｘ２＋ｙ２＋ｚ２))、そのピーク−ピーク間を１歩として検出する（例えば特許文献３参照）。「歩幅」は、利用者が予め設定するか、若しくは利用者の身長から推定する。又は、他の技術によれば、歩行者に規定距離を歩行させることによって、その歩幅をキャリブレーションする技術もある（例えば非特許文献１参照）。
【０００６】
「進行方向」は、「方位センサ」によって検出される。方位センサとしては、一般に地磁気センサが利用される。地磁気センサを用いて検出した端末の姿勢及び方向を、ディスプレイに３次元表示する技術もある（例えば特許文献４参照）。また、進行方向に交差点を介して複数の道路が存在する場合、その交差点を、現在位置とする技術もある（例えば特許文献５参照）。
【０００７】
自律航法技術を用いた現在位置の決定について、センサデータの累積的誤差の影響を防ぐために、交差点での右折左折を検出した際に、その交差点を、現在位置の特定のための始点とする技術もある（例えば特許文献６参照）。即ち、方向転換が検出される毎に、センサデータの累積的誤差がリセットされることなり、その後の現在位置の特定に、先の累積的誤差が影響しない。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−０６１４０８号公報
【特許文献２】特開平９−０８９５８４号公報
【特許文献３】特開２００５−０３８０１８号公報
【特許文献４】特開２００４−０４６００６号公報
【特許文献５】特開平３−０９９３９９号公報
【特許文献６】特開昭６３−０１１８１３号公報
【非特許文献１】「Nike＋iPodユーザーズガイド」、第２７頁、「online」、［平成１９年８月３１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://manuals.info.apple.com/ja/nikeipod_users_guide.pdf＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献４に記載された技術によれば、加速度センサ及び地磁気センサを用いて静止状態における方位を導出するものである。しかしながら、実際に、歩行者が手持ちにした携帯端末によって方位を導出する場合、手持ち状態のためにセンサによって検出される波形が乱れ、正しい方位を導出することはできない。特に、歩行者が手を前方と後方に振るために、センサによって検出されるデータは大きく変動する。また、歩行者が手持ちするような携帯端末については、サイズやコストの制約から、カーナビゲーションシステムに搭載されるジャイロセンサを用いることも難しいし、搭載するセンサの種別及び数もできる限り少なくすることが好ましい。
【００１０】
そこで、本発明は、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された地磁気センサのみを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定する携帯端末、プログラム及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段を有し、
進行方向決定手段は、
時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
を算出し、
北に向かって、重力面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとし、重力面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとすることも好ましい。
【００１３】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、円錐近似手段は、最小二乗法によって円錐に近似することも好ましい。
【００１４】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、進行方向決定手段から出力された進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段を更に有することも好ましい。
【００１５】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、歩行者の歩行の向き、即ち、地磁気面の前方を決定する前方決定手段を更に有し、
前方決定手段は、進行方向の前方に向けて端末を保持するよう設定した軸（ｘ軸、ｙ軸又はｚ軸）とその方向（正又は負）の条件に基づき、地磁気面のうち当該軸の当該方向を前方として決定し、その旨を方向転換判定手段へ通知することも好ましい。
【００１６】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、円錐近似手段に入力される地磁気データについて、
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することも好ましい。
【００１７】
本発明の携帯端末における他の実施形態によれば、方向角算出手段から出力された方向角θについて、
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することも好ましい。
【００１８】
本発明によれば、３軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを機能させる携帯端末用のプログラムであって、
地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段としてコンピュータを機能させ、
進行方向決定手段は、
時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末について、地磁気データから歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する第１のステップと、
円錐における高さｈを算出する第２のステップと、
高さｈに基づいて、地磁気面に対する方向角θを算出する第３のステップと
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された地磁気センサのみを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下では、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１は、歩行者の歩行態様と、地磁気変動方向とを表す説明図である。
【００２３】
図１によれば、歩行者は、携帯端末を手持ちにし、その手を前後に振りながら歩行している。このような一般的な歩行態様を横方向から見れば、携帯端末の位置は、円弧を描きながら振り子状に前後に変動している。また、進行方向から見れば、携帯端末の位置は、上下に変動している。
【００２４】
歩行者及び携帯端末に対しては、地磁気が到来している。歩行者が、端末を一定の姿勢で保持し、一方向に真っ直ぐ進行している限り、その地磁気のセンサ座標系における到来方向は同じである。しかしながら、歩行者は、手持ちにした携帯端末を前後に振るために、その腕振りに応じて、地磁気の到来方向が、曲線を描いて変動する。この曲線の変動は、携帯端末に搭載された地磁気センサによって検出される。即ち、その軸とその曲線とからなる面は、地磁気面（地磁気ベクトル群の成す面）として表される。
【００２５】
図１によれば、歩行者に把持された携帯端末の位置として、位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃが表されている。位置Ｂは、歩行者の手が真下にある時（最下点）であり、重力方向を表すこととなる。逆に、位置Ａ及び位置Ｃは、歩行者の腕振り運動の中で、最も高い位置にある時（最上点）である。
【００２６】
図２は、現実に発生する地磁気面を表す説明図である。
【００２７】
図２によれば、地磁気センサから得られた３軸の地磁気データ（ｘ、ｙ、ｚ）が、３次元座標系にプロットされたものである。また、図２には、携帯端末が位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃにある場合の地磁気も、表されている。位置Ａ、位置Ｂ及び位置Ｃの地磁気のプロットを結ぶことによって、地磁気面を検出できる。
【００２８】
図２によれば、歩行者は、南から到来している地磁気に対して、方向角θの方向へ歩行している。このとき、携帯端末を手持ちした歩行者による腕振り動作に応じて、地磁気到来方向と反対側に地磁気面が検出できる。この地磁気面は、原点を通り進行方向と重力方向の双方に対し垂直な直線を軸として、地磁気ベクトルを母線とした、円錐の側面の一部を構成する。
【００２９】
地磁気面は、進行方向及び重力方向の両方に対する垂線（垂直な直線）を軸として、地磁気ベクトルを母線とした、円錐の一部を構成する。このとき、円錐の高さｈを算出する。本発明によれば、円錐の高さｈによって、方向角θを算出することができる。
【００３０】
地磁気面は、腕振りに応じた曲面によって表されているが、本発明によれば、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する必要がある。具体的には、円錐底面を近似的に求め、原点から当該底面までの距離、即ち、円錐の高さｈを算出することで、近似円錐を同定する。
【００３１】
図２によれば、各種パラメータを、以下のように定義する。
ｈ：円錐の高さ（円錐の頂点と、底面との間の距離）
ｌ：円錐の母線の長さ（地磁気ベクトルの長さ）
Ｉ：南から到来する地磁気と、重力方向とのなす角
（携帯端末が位置する緯度によって決定される）
【００３２】
地磁気ベクトルの長さｌ＝１に正規化した後、円錐の高さｈは、以下のように算出することができる。
ｈ＝sinＩ・sinθ
sinθ＝ｈ／sinＩ
θ＝arcsin（ｈ／sinＩ）
【００３３】
ここで、地磁気面の円錐における高さｈを算出する具体例について説明する。
【００３４】
単位時間に観測されたｎ個の地磁気データを、以下のように定義する。
ｐ１＝（ｘ１，ｙ１，ｚ１）
ｐ２＝（ｘ２，ｙ２，ｚ２）
・・・・・・・・・・
ｐｎ＝（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ）
以下の表１によれば、時間経過ｐ１〜ｐ８に基づいて、観測された地磁気データＸ，Ｙ，Ｚが表されている。
【表１】
【００３５】
次に、地磁気ベクトルを以下の式によって正規化する。
【数１】
【００３６】
表１の地磁気データを、正規化すると、以下の表２のような値になる。
【表２】
【００３７】
円錐に近似する方法として、例えば最小二乗法がある。最小二乗法は、残差の２条の和が最小となるように、その現象に対し、予測関数ｆ（ｘ）のそれぞれの係数を決定する方法である。残差とは、ｉ番目のデータｎｉに対して予測された関数値ｆ（ｎｉ）と、測定されたデータｍｉと差、即ち、ｍｉ−ｆ（ｎｉ）である。
【００３８】
一般に、平面は、以下の式によって表される。
ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝１
【００３９】
このとき、（ａ，ｂ，ｃ）は、平面に対する法線ベクトルとなる。このとき、以下のような関係が成立する。
【数２】
【００４０】
表３は、行列式（１）のパラメータを、表２に基づいて算出したものである。
【表３】
【００４１】
行列式（１）を変形すると、以下の行列式（２）が成立し、（ａ，ｂ，ｃ）を算出することができる。尚、「−１」は、逆行列を意味する。
【数３】
【００４２】
数４は、行列式（２）に、表２及び表３の数値例を代入して算出した（ａ，ｂ，ｃ）である。求められた平面ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝１は、円錐の底面である。
【数４】
【００４３】
平面ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ＝１と原点との距離、即ち円錐の高さｈは、以下の関係式で算出される。
【数５】
【００４４】
式（３）に、数４の数値例（ａ，ｂ，ｃ）を代入すると、円錐の高さｈは、以下のように算出される。
ｈ＝０．４６２７４
【００４５】
更に、図２によれば、到来する地磁気と重力方向のなす角Ｉが表されている。角度Ｉは、携帯端末が位置する緯度によって決定される（緯度によって固定値となる）。
【００４６】
そして、本発明によれば、円錐の高さｈと、重力方向と地磁気のなす角Ｉとを用いて、地磁気面に対する角度量θmeasure（南北方向を０°とし、東西方向を９０°とした角度の大きさ）を算出する。
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
【００４７】
前述した具体的な数値例を代入すると、Ｉ＝４１度の場合、以下のように算出される。
角度量θmeasure＝arcsin（0.46274／sin Ｉ）＝44.856443度
【００４８】
図３は、歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【００４９】
簡単化のために、重力方向を図の下方向としているが、重力そのものを検出することはできない。また、実際に、地磁気が、センサ座標系に対してどの方向に検出されるかは、端末の姿勢に依存する。但し、方向角θと地磁気面との関係については、端末の姿勢には依存しない。
【００５０】
図３によれば、進行方向は、南北方向に対して角度θの位置にある。地磁気ベクトルは、重力方向に対して角度Ｉを保ったまま、重力方向を軸としてθだけ回転した方向から到来する。地磁気面は、腕振り運動によって、地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として円錐振り子状に運動することによって構成される。地磁気の円錐の底面は、進行方向と平行である。このとき、地磁気の円錐の高さｈは、sinＩ・sinθによって表される。地磁気ベクトルは、その地磁気ベクトルを斜辺とした直角三角形（斜線部）の回転体である円錐の表面を通る。
【００５１】
図４は、歩行者の進行方向が、西（北に対して９０°の角度の方向）に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【００５２】
図４によれば、進行方向は、南北方向に対して垂直になる（θ＝９０°）。地磁気ベクトルは、重力方向と角度Iを保ったまま重力方向を軸として９０°だけ回転した方向から到来する。地磁気面は、腕振り運動によって、地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として円錐振り子状に運動することによって構成される。このとき、地磁気の円錐の高さｈは、sinＩによって表される。
【００５３】
図５は、歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面のセンサ座標系における位置を表す説明図である。
【００５４】
図５によれば、地磁気面は、腕振り運動によって、地磁気ベクトルが、重力と進行方向の双方に垂直な軸を回転軸として振り子状に運動することによって構成される。地磁気は南北方向へ検出されるため、地磁気面は、高さｈ＝sinＩ・sinθ＝０（sinθ＝０のため）の円錐の側面の一部、即ち扇形となり、進行方向と平行（重畳）になる（θ＝０°）。
【００５５】
図６は、方向角θの向きを表す説明図である。
【００５６】
図６によれば、上段は、北を１２時方向として鉛直真上方向から見た図であり、下段は、進行方向（重力面）に対し垂直な方向（上段で示した視点）から見た図である。
【００５７】
円錐の高さｈと、重力方向及び地磁気のなす角Iとによって、前述した計算により数学的に求められる角度量θmeasureは、０°〜９０°である。一方、実際の方向角θというと、北から時計回りを正方向として−９０°〜＋９０°である。
【００５８】
図６（ａ）及び（ｂ）によれば、南北方向を境界として左右（東西）対称となる２通りの位置に対して、同一の角度量θmeasureが得られる。例えば、方向角として、３０°（北東−南西方向）及び−３０°（北西−南東方向）の２通りの場合に、高さｈとＩから算出される角度量θmeasureは、３０°で同一である。方向角θは、腕振り運動により重力方向が振り子状に変動することにより作られる重力面を推定し、当該重力面と地磁気面の位置関係（地磁気面が重力面の左右どちら側に位置するか）によって確定することができる。重力面は観測できないが、簡単のため、原点を通り円錐底面と平行な平面（円錐底面を頂点の方向へ距離ｈだけ平行移動した平面）とすることができる。
（ａ）北に向かって、重力面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとなる。
（ｂ）北に向かって、重力面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとなる。
【００５９】
図６（ｃ）は、進行方向が南北方向であり、図６（ｄ）によれば、進行方向が東西方向である。
（ｃ）重力面と地磁気面は同一平面上にあり、右側や左側の区別はない場合、方向角θ＝θmeasure＝０°となる。
（ｄ）地磁気面の位置（右側、左側）によらず、方向角θ＝θmeasure＝９０°となる（＋９０°と−９０°は方向角としては同一）。
【００６０】
方向角θ及び角度量θmeasureは、南北方向に対する進行方向の成す角である。進行方向は、無向直線であり前後の区別が無い。このとき、北を０度とした時計回りの方位角（０〜３６０°）を導出するために、重力面の前方（又は後方）を決定する必要がある（尚、この決定は、後述する図７の前方決定部１０７によって実現される）。
【００６１】
重力面の前方は、端末の保持姿勢に緩やかな制約を設けることで特定することができる。例えば端末座標系におけるｘ軸が進行方向と平行であり、ｘ軸の正方向を前方とするよう端末を保持した場合、重力面のうちｘ軸の正方向の側が前方と判断できる。この際、ｙ軸およびｚ軸の向き（ロール）は制約されない。また、ある程度のｘ軸のぶれ（ピッチ及びヨー）は許容できる。
【００６２】
図７は、本発明の携帯端末における機能構成図である。
【００６３】
図７によれば、携帯端末１は、マイクロプロセッサ部１０と、地磁気センサ１１と、ＧＰＳ部１３と、地図情報記憶部１４と、ディスプレイ部１５とを有する。
【００６４】
地磁気センサ１１は、３軸方向（前後方向、左右方向及び上下方向）の地磁気の方向を測定する。地磁気センサ１１は、検出コイルを分離し、分離した検出コイルからそれぞれ検出された値を出力する。
【００６５】
ＧＰＳ部１３は、基準の現在位置となる緯度経度情報を測位する。測位された現在位置を基準点として、歩行者の現在位置を、歩数、歩幅及び進行方向によって積算することができる。
【００６６】
地図情報記憶部１４は、例えば道路地図のような走行経路を表す地図情報を記憶する。また、ディスプレイ部１５は、マイクロプロセッサ部１０から出力された進行方向及び現在位置を、地図情報と共に表示する。これにより、歩行者に対してナビゲーション機能を提供する。
【００６７】
マイクロプロセッサ部１０は、歩行タイミング決定部１０１と、進行方向決定部１０２と、方向転換判定部１０３と、歩幅設定部１０４と、移動量積算部１０５と、現在位置決定部１０６と、前方決定部１０７として機能するようなプログラムを実行する。
【００６８】
歩行タイミング決定部１０１は、地磁気センサ１１から出力された地磁気データ列を、所定時間毎、例えば歩数毎、又は歩数に基づく時間単位毎の、地磁気データに分割する。例えば、地磁気ベクトルの円錐振り子運動の周期から歩数を算出することもできる。
【００６９】
進行方向決定部１０２は、所定時間毎に、地磁気センサ１１からの地磁気データから、進行方向を決定する。本発明は、この進行方向決定部１０２における進行方向の特定方法に基づく。
【００７０】
前方決定部１０７は、歩行者の歩行の向き、即ち、地磁気面の前方を決定する。地磁気面の前方は、端末保持姿勢に緩やかな制約を設けることによって特定することができる。例えば、ｘ軸の正方向を前方とするよう端末保持姿勢を設定した場合、地磁気面のうちｘ軸の正の側が前方である。
【００７１】
方向転換判定部１０３は、進行方向決定部１０２から進行方向のデータを受け取り、前方決定部１０７から前方の向きのデータを受け取る。方向転換判定部１０３は、メモリを有し、進行方向及び向きのデータを時間経過に応じて記憶する。そして、方向転換判定部１０３は、メモリに記憶された一定の時間範囲の進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する。
【００７２】
歩幅設定部１０４は、既知の手法により、歩幅を決定する。例えば、入力された身長の値から推定することができる。決定された歩幅は、移動量積算部１０５へ出力される。尚、歩幅設定部１０４は、その歩幅の情報を方向転換判定部１０３にも出力する。
【００７３】
移動量積算部１０５は、進行方向決定部１０２から進行方向の情報を受け取り、歩幅決定部１０４から歩幅の情報を受け取る。そして、移動量積算部１０５は、１歩分の進行方向及び歩幅を積算する。現在位置決定部１０６は、地図情報記憶部１４から地図情報を取得し、積算された移動量から現在位置を特定する。現在位置決定部１０６は、方向転換判定部１０３が方向転換したと判定すれば、地図情報における近傍の交差点の位置を現在位置として決定する。また、方向転換していないと判定すれば（直進したと判定すれば）、マップマッチングによって投影された位置を、現在位置として決定する。
【００７４】
本発明の特徴となる進行方向決定部１０２は、フィルタ部１０２１と、円錐近似部１０２２と、円錐高さ算出部１０２３と、方向角算出部１０２４と、補正部１０２５とを有する。フィルタ部１０２１及び補正部１０２５は、本発明について本質的な機能では無いが、これによって進行方向の精度を向上させることができる。
【００７５】
円錐近似部１０２２は、時間経過に応じた地磁気データを３次元座標系にプロットし、例えば図２のような座標図形を生成する。このとき、地磁気データは、所定時間単位（例えば１歩分）に検出された複数のデータの組に区分する。所定時間単位は、進行方向を導出するタイミング（周期）に依存する。例えば、１歩毎又は２秒毎の地磁気データに区分する。歩行者によって手に所持された携帯端末が前方及び後方に一往復する毎に、１つの円錐状の地磁気面が導出される。その上で、円錐近似部１０２２は、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する。
【００７６】
円錐高さ算出部１０２３は、円錐近似部１０２２によって算出された円錐における高さｈを算出する。高さｈは、即ち円錐の底面と原点（円錐の頂点）の距離である。高さｈは、腕振り方向、即ち歩行者の進行方向によって変化する。進行方向が南北方向である場合、高さｈは０となる。一方、進行方向が東西方向である場合、高さｈは最大となる。
【００７７】
方向角算出部１０２４は、円錐高さ算出部１０２３によって算出された高さｈに基づいて、地磁気面に対する角度量θmeasureを算出する。即ち、地磁気面に対する角度量θmeasureは、南北方向を意味する０°から、東西方向を意味する９０°までの間となる。ここで、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、以下の式によって、角度量θmeasureを算出する。
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
【００７８】
また、方向角算出部１０２４は、角度量θmeasureに基づく重力面と地磁気面の位置関係から、方向角θを導出する。重力面は観測できないが、円錐底面に平行で原点を通る平面とすることができる。重力面に対して左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとなり、重力面に対して右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとなる。尚、進行方向が、南北方向にある場合、方向角θ＝θmeasure＝０°であり、東西方向にある場合、方向角θ＝θmeasure＝９０°となる（＋９０°と−９０°は方向角としては同一）。
【００７９】
フィルタ部１０２１は、円錐近似部１０２２に入力される地磁気データについて、所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去する。即ち、突飛なデータを除去することができる。
【００８０】
補正部１０２５は、方向角算出部１０２４から出力された方向角θについて、所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する。
【００８１】
例えば、以下の表４のように、１つのデータだけが前後のデータよりも突飛な値、例えば２０°（所定角度閾値）以上振れていた場合、そのデータを除去する。
【表４】
【００８２】
また、補正部１０２５は、除去されたデータについて、以下の表５のように、時間的に前後に算出された単位区間の方向角θの平均によって補完することも好ましい。
【表５】
【００８３】
更に、補正部１０２５は、蓄積した複数の方向角θの変化が、平均化することも好ましい。以下の表６によれば、一定範囲の方向角θ毎に、平均化したものである。
【表６】
【００８４】
以上、詳細に説明したように、本発明の携帯端末、プログラム及び方法によれば、歩行者が、携帯端末を手持ちで歩行している場合であっても、その携帯端末に搭載された地磁気センサのみを用いて、歩行者の進行方向をできる限り正確に決定することができる。
【００８５】
前述した本発明における種々の実施形態によれば、当業者は、本発明の技術思想及び見地の範囲における種々の変更、修正及び省略を容易に行うことができる。前述の説明はあくまで例であって、何ら制約しようとするものではない。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物として限定するものにのみ制約される。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】歩行者の歩行態様と、地磁気変動方向とを表す説明図である。
【図２】現実に発生する地磁気面を表す説明図である。
【図３】歩行者の進行方向が、北に対してθの角度の方向に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【図４】歩行者の進行方向が、西（北に対して９０°の角度の方向）に向かっている場合のセンサ座標系における地磁気面の位置を表す説明図である。
【図５】歩行者の進行方向が、北に向かっている場合の地磁気面のセンサ座標系における位置を表す説明図である。
【図６】方向角θの向きを表す説明図である。
【図７】本発明の携帯端末における機能構成図である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 携帯端末
１０ マイクロプロセッサ部
１０２ 進行方向決定部
１０２１ フィルタ部
１０２２ 円錐近似部
１０２３ 円錐高さ算出部
１０２４ 方向角算出部
１０２５ 補正部
１０３ 方向転換判定部
１０４ 歩幅設定部
１０５ 移動量積算部
１０６ 現在位置決定部
１０７ 前方決定部
１１ 地磁気センサ
１３ ＧＰＳ部
１４ 地図情報記憶部
１５ ディスプレイ部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段を有し、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
前記円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
前記高さｈに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする携帯端末。
【請求項２】
前記方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
を算出し、
北に向かって、重力面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとし、重力面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとすることを特徴とする請求項１に記載の携帯端末。
【請求項３】
前記円錐近似手段は、最小二乗法によって円錐に近似することを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯端末。
【請求項４】
前記進行方向決定手段から出力された進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段を更に有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項５】
歩行者の歩行の向き、即ち、地磁気面の前方を決定する前方決定手段を更に有し、
前記前方決定手段は、進行方向の前方に向けて端末を保持するよう設定した軸（ｘ軸、ｙ軸又はｚ軸）とその方向（正又は負）の条件に基づき、地磁気面のうち当該軸の当該方向を前方として決定し、その旨を前記方向転換判定手段へ通知することを特徴とする請求項４に記載の携帯端末。
【請求項６】
前記円錐近似手段に入力される前記地磁気データについて、
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項７】
前記方向角算出手段から出力された前記方向角θについて、
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項８】
３軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを機能させる携帯端末用のプログラムであって、
前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段としてコンピュータを機能させ、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
前記円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
前記高さｈに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする携帯端末用のプログラム。
【請求項９】
３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末について、前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
時間経過に応じた前記地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する第１のステップと、
前記円錐における高さｈを算出する第２のステップと、
前記高さｈに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する第３のステップと
を有することを特徴とする携帯端末の進行方向決定方法。
【請求項１】
３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末であって、
前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段を有し、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
前記円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
前記高さｈに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
を有することを特徴とする携帯端末。
【請求項２】
前記方向角算出手段は、重力方向と地磁気のなす角Ｉを用いて、
角度量θmeasure＝arcsin（ｈ／sin Ｉ）
を算出し、
北に向かって、重力面の左側に地磁気面がある場合、方向角θ＝θmeasureとし、重力面の右側に地磁気面がある場合、方向角θ＝−θmeasureとすることを特徴とする請求項１に記載の携帯端末。
【請求項３】
前記円錐近似手段は、最小二乗法によって円錐に近似することを特徴とする請求項１又は２に記載の携帯端末。
【請求項４】
前記進行方向決定手段から出力された進行方向について、方向転換がなされたか否かを判定する方向転換判定手段を更に有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項５】
歩行者の歩行の向き、即ち、地磁気面の前方を決定する前方決定手段を更に有し、
前記前方決定手段は、進行方向の前方に向けて端末を保持するよう設定した軸（ｘ軸、ｙ軸又はｚ軸）とその方向（正又は負）の条件に基づき、地磁気面のうち当該軸の当該方向を前方として決定し、その旨を前記方向転換判定手段へ通知することを特徴とする請求項４に記載の携帯端末。
【請求項６】
前記円錐近似手段に入力される前記地磁気データについて、
所定時間範囲のデータをメモリし、最大値及び最小値から所定割合のデータを除去するフィルタ手段を更に有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項７】
前記方向角算出手段から出力された前記方向角θについて、
所定時間範囲の方向角θをメモリし、当該方向角θの前後の変化が所定角度閾値以上となっている方向角θを除去する補正手段を更に有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の携帯端末。
【請求項８】
３軸の地磁気データを出力する地磁気センサとを有し、歩行者によって所持される携帯端末に搭載されたコンピュータを機能させる携帯端末用のプログラムであって、
前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定手段としてコンピュータを機能させ、
前記進行方向決定手段は、
時間経過に応じた前記地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する円錐近似手段と、
前記円錐における高さｈを算出する円錐高さ算出手段と、
前記高さｈに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する方向角算出手段と
してコンピュータを機能させることを特徴とする携帯端末用のプログラム。
【請求項９】
３軸の地磁気データを出力する地磁気センサを有し、歩行者によって所持される携帯端末について、前記地磁気データから前記歩行者の進行方向を決定する進行方向決定方法であって、
時間経過に応じた前記地磁気データを３次元座標系にプロットし、腕振りによって生じた円錐状に分布する地磁気ベクトル群を、円錐に近似する第１のステップと、
前記円錐における高さｈを算出する第２のステップと、
前記高さｈに基づいて、前記地磁気面に対する方向角θを算出する第３のステップと
を有することを特徴とする携帯端末の進行方向決定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１３３６９２（Ｐ２００９−１３３６９２Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３０９２２８（Ｐ２００７−３０９２２８）
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００２０８８９１）ＫＤＤＩ株式会社 (2,700)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【出願人】（０００２０８８９１）ＫＤＤＩ株式会社 (2,700)
【Ｆターム（参考）】
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